振动激励下枣树力传递效果室内模拟试验

为了提高林果振动采收的作业效率,根据果品在振动过程中瞬时加速度的变化,研究其振动采收时力的传递效果,降低激振功耗.该文以红枣振动采收为研究对象,建立红枣"枝-柄-果"的双摆振动模型,分析系统振动过程中的固有频率,获得系统的固有振动频率为14.69、17.26Hz;利用振动试验测试系统,进行扫频试验,测得枣树发生共振频率的范围集中出现在12~24Hz;当振幅分别为3、5、7mm时,频率在12~24Hz时进行枣树的定频振动试验,通过DHDAS分析软件分析,获得枣树的振动频率和瞬时加速度的关系;对受迫振动的红枣采用3D高速摄像技术进行运动分析,获得红枣在空间的最大瞬时加速度值,通过统计计算分析,红枣的最大瞬时惯性力值均大于果柄最大拉断力6N.试验表明在振幅为7mm、频率为17Hz时,红枣振动采收过程中,力的传递效果较好.该研究可为红枣收获机激振系统的设计提供理论依据和技术参考.     

机械采收作业中银杏树频谱特性与振动响应关系研究

机械采收是林果收获最有效的方法,在受迫振动下果实的掉落不仅受到激振振幅、频率和持续时间的影响,还与果树自身的生长形态和固有频谱特性有关.为了研究银杏树的频谱特性与振动响应之间的关系以及振动响应在不同方向上的差异性,该文在室内冲击激振下测试了一棵Y型银杏树不同方向的频谱特性.然后,通过频谱曲线中峰值点和谷值点所在的频率对果树树干进行简谐激振获得空间加速度响应.结果显示频谱特性与振动响应之间存在一定的对应关系,基频以及10.00Hz以下的激振频率无法激发起很大的振动响应.共振频率能够引起极大的振动响应,但是加速度幅值在低频下较小并且随着激振频率的增加而增大.当频率高于25.00Hz时并不能再次引起较强的加速度响应,样品树的最佳激振频率为23.75Hz.在同一个测试位置,3个方向的振动响应呈现出相似的特性但振幅不同.随着测试位置逐渐远离激振点,沿着果树生长方向的加速度幅值显著增加,并且该方向是振动响应传递过程的主导方向.结果表明在机械采收林果时,可以首先测试果树的频谱来获得共振频率,然后在特定的共振频率下对果树进行激振来获得较强的振动响应,更高的激振频率并不一定引起更强烈的振动响应.同一个测试位置不同方向之间存在差异性,不同位置的果实可以被不同方向的惯性力移除.     

三维激振果品采收机构优化设计与试验

振动式采收因其能够快速有效地使果品脱落而成为目前常用的果品采收机构,但其采收效率仍然不高.本文提出通过三维激振载荷对果树同时施加沿树枝径向和轴向的激振作用,利用ANSYS建立果树模型,分析比较了一维、二维和三维激振载荷下果树上各点的加速度响应.根据三维激振位移载荷的生成方法及其果树动力学仿真结果,设计了三维激振采收机构,并基于遗传算法对该机构尺寸进行优化,以达到最大的输出加速度目标.最后加工了三维激振果品采收机构样机,并开展田间果树加速度响应试验,结果显示三维激振果品采收机构与偏心振动电机对果树激振的平均加速度变异系数分别为0.67和0.72,表明用三维激振采收方式能使果树各分支加速度分布更均匀,从而减少逐个树枝激振的次数,提高采收效率.     

偏心式林果振动采收机的研制与试验

为提高林果采收效率,降低采收成本,针对中国果园矮化密植模式下机械化作业条件差的特点,设计了偏心式林果振动采收机。该机安装在电控履带车上,通过偏心块旋转产生的离心力激振树干实现林果振动采收。建立了偏心式振动采收动力学模型,得出了采收机—果树系统稳态响应振幅表达式并分析了主要影响因素。利用该采收机对核桃(新新2号)进行了采收试验,结果表明:激振频率对树干全振幅和果实采净率具有显著性影响(P=0.05),树干全振幅和果实采净率随激振频率的增大而增大,激振频率20Hz时达到最大值,分别为8.83mm和92.6%;落果和树干夹持处均未见破坏性损伤,但激振频率越大,夹持处痕迹越明显,建议控制激振频率于19～20Hz,平均采净率约达到89.5%～92.6%,而且果实和树干没有破坏性损伤。该研究为实际生产提供指导。     

振动方式和频率对杏树振动采收响应的影响

为了研究受到不同振动激励后杏树的响应状态以及杏树最佳振动采收频率,该文建立了单偏心式和对称双偏心式振动激励下杏树响应模型以及杏树-采收机动力学模型;分析杏树受振动激励后,不同位置的振动响应状态。理论分析与试验表明,杏树受单偏心式振动激励时,主要表现为扭转振动,夹持位置运动轨迹为圆形;受对称双偏心式振动激励时,主要表现为弯曲振动,夹持位置在水平方向上做往复运动,运动轨迹为直线。利用LabView振动测试软件,通过沿杏树主干安装的加速度传感器,检测杏树不同位置振动加速度变化。分析表明,振动由夹持位置沿树干向上传递,同时获得不同位置的加速度振动响应曲线;通过MATLAB对达到振动稳态后0.1 s内数据进行傅里叶拟合分析表明,各级枝干检测点均做周期性简谐运动,得到不同位置加速度拟合曲线及振动响应函数;通过对0~50 Hz加速度频谱分析表明,杏树在11.56 Hz振动激励时,各检测点加速度值最大。该研究可为林果振动收获机械设计与优化提供参考。     

梳刷振动式枸杞收获装置设计与运行参数优化

针对目前中国枸杞人工采收效率低、成本高的问题,该文采用梳刷振动相结合的采收方式,设计了梳刷振动式枸杞收获装置,并进行了试验。首先基于ADAMS软件建立了枸杞果实、枝条模型与梳刷振动机构模型。枸杞果实、果柄间连接力采用广义力连接,通过设置传感器来监测果柄断裂条件,实现了枸杞果实、果柄在外力作用下的分离过程控制。通过仿真分析,确定了收获装置的梳刷转速、圆盘转速(振动频率)和振动幅度3个因素为影响采收效果的主要因素。然后以梳刷转速、圆盘转速(振动频率)和振动幅度为因素,以采收效率、成熟枸杞采收率、青果脱落率以及成熟枸杞破损率为评价指标,进行了田间试验,试验结果表明:在梳刷转速80 r/min、圆盘转速100 r/min、振动幅度80 mm的因素水平组合下采收效率为13.12 kg/h,成熟枸杞采收率为87.46%,青果脱落率为13.81%,成熟枸杞破损率为2.82%,采收效果最佳,相比于其他单一原理的采收机构,本装置既达到了较高采收效率与成熟枸杞采收率,也保证了相对较低的青果脱落率与成熟枸杞破损率。该文可为枸杞机械化采收机械的设计提供理论依据与数据支撑。     

断梗激励下葡萄果粒的振动脱落特性与试验

针对夹剪式鲜食葡萄采摘中的断梗振动激励引起的果粒脱落问题,对断梗激励下鲜食葡萄的振动脱落特性与动态响应进行研究。首先建立葡萄果实-分梗动力学模型,推导果实脱落的理论角速度,分析果实-果梗摆动脱落的临界分离条件。然后利用ABAQUS软件分析单颗粒葡萄在断梗激振下的动态响应与摆动趋势,探索在无挤压状态下果实形变过程,从而预测串型葡萄在断梗激励下的实际振动响应。最后对串型葡萄的简化模型进行振动有限元分析,获得葡萄果实在脱落前瞬间相对于果梗结合处的位移、速度、加速度和应力应变等数据,从而确定葡萄的临界振动脱落参数组合。通过仿真试验和采摘振动试验验证模型的准确性。结果表明：在断梗激励下,葡萄果实出现不确定的各向异性扭转摆动;对整串葡萄进行0～25 Hz的扫频分析可知受振果实的临界脱落频率约为4 Hz;受振果实摆动幅度为49.88 mm,速度峰值0.92 mm/s,加速度峰值39.08 mm/s2时开始脱落;同一激励下,虽然各个果实位置不同,但它们振动特性变化趋势相同。该研究可为防脱落采摘机构参数设计提供理论依据。     

基于电子果实技术的机械振动采收过程果实运动分析

为改善现有收获设备的采收性能,降低伤果率,提高采摘率,必须对果实采收设备引起的果实运动情况进行准确评估,以确定导致果实损伤的主要阶段和关键因素.该文建立和分析了果实—树体的动力学模型,通过试验和计算验证了果实脱落的理论条件是果实所受法向惯性力要大于果柄与果实间的结合力,并设计了一种扁球型电子果实(orange impact recording sensor,OIRS),利用它检测记录三维激振采收系统在收获砂糖桔时所产生的机械冲击,对该系统引起的果实运动进行分析.在野外振动采收试验记录的数据中,电子果实记录到振动阶段的最大机械冲击加速度均值为217g,平均冲击加速度达到123g;而下落阶段的最大机械冲击加速度均值为155g,平均冲击加速度仅为76g.结果表明:在振动阶段果实损伤的可能性更高,可通过调整采收机的工作参数,降低潜在的伤果风险;而下落阶段果实与地面接触时产生的较高冲击也会导致果实损伤,收获设备表面可铺设缓冲减震材料,以此降低果实的坠落损伤.研究结果表明利用电子果实能够有效检测三维激振采收系统在果实收获过程中所产生的机械冲击,用于机器系统的伤果评估.     

酿酒葡萄果-蒂振动分离试验

为深入研究酿酒葡萄果-蒂振动分离特性,寻求影响分离效果因素的最优组合,该文基于酿酒葡萄做变速运动产生惯性力克服葡萄果-蒂连接力实现分离的原理,搭建了曲柄摇杆机构分离率测定装置。通过对曲柄摇杆机构运动及果-蒂分离临界条件的分析,构建了果-蒂振动分离模型,确定电机转速、偏心距离及摇杆长度为主要影响因素,并针对霞多丽和赤霞珠品种开展试验研究。结果表明:影响酿酒葡萄分离率显著因子的主次顺序为偏心距离、摇杆长度和电机转速;赤霞珠品种较霞多丽品种更适合机械采收;当转速为245 r/min,偏心距离为75 mm,摇杆长度为200 mm时,赤霞珠分离率为95.2%,葡萄果-蒂分离的频率范围为2.11~3.69 Hz,葡萄穗梗处的振幅为169.8 mm。该文研究结果可为酿酒葡萄收获装置的设计提供理论依据。     

振动式枸杞采摘机理仿真分析与样机试验

为了实现枸杞机械化采摘,该文研究了枸杞振动采摘机理,并建立振动采摘力学模型,分析求解得到枸杞挂果枝条受迫振动时各节点处枸杞和花朵所受惯性力的通解。运用MATLAB对振动式枸杞采摘机工作参数进行优化和仿真试验,优化得到合理的迫振载荷和驱动轮转速组合,仿真试验得到受迫振动枸杞挂果枝条各节点处枸杞与花朵所受采摘惯性力随转速变化规律仿真曲线,对转速取值进行调整。最后进行了枸杞采摘试验,试验得到合理的驱动轮转速为2 870 r/min,该转速水平在仿真得到的合理的转速区间为2 868.84~2 871.21 r/min。试验转速为2870 r/min时,成熟枸杞采摘效率为815颗/min,成熟枸杞采净率为86.70%,未成熟枸杞采摘率为7.36%,花朵采摘率为7.43%,成熟枸杞损伤率为8.62%,机采人采效率比为5.43,试验结果与仿真结论一致。研究结果可为枸杞振动采摘机的研制提供参考。     

不同振动特性参数对杏树振动响应的影响

为研究振动时间、振动频率和振动激励点振幅等不同振动特性参数对杏树振动的影响,该文利用ANSYS软件对杏树进行了有限元建模分析;通过三因素三水平试验分析不同振动特性参数对杏树振动检测点的影响,利用Design Expert软件进行优化分析,并进行实验室验证试验。杏树自由模态振动响应分析表明最佳杏树振动采收响应频率范围为0～20 Hz;谐振动响应分析可知在最佳频率范围内,杏树振动激励点振幅为5、10和15 mm时,同一频率下,随着激励振幅的增大,相同位置加速度增大,但振动曲线整体变化规律和趋势一致。试验分析可知,各因素影响检测点1和2加速度的强弱顺序一致:激励点振幅振动频率振动时间;各因素影响检测点3加速度的强弱顺序为:振动时间激励点振幅振动频率;建立3个检测点的响应方程,由下至上3个检测点的回归方程决定系数分别为0.906 7、0.879 3和0.973 3;多目标参数优化结果为:振动时间7.207 s,振动频率15 Hz,激振点振幅10 mm,通过验证试验可知由下至上各检测点加速度为10.4g、10.2g和9.3 g,与优化值相近。该研究可为杏振动采收机械参数设计提供参考。     

基于改进UNet模型的油茶果振动采摘点定位方法

针对非花果同期油茶果采收效率低这一问题,提出一种侧枝振动采摘点定位方法,通过振动侧枝降低树木损伤并实现高效采收。首先构建数据集,对侧枝分段标注,向UNet中添加CloFormer注意力机制并命名为Clo-UNet,实现侧枝的二维重构。其次,在Clo-UNet基础上进一步设计采摘点定位方法并命名为Clo-UNet-Point,该方法优先选择采收离果实最远且最粗的枝条。试验表明,Clo-UNet在验证集上表现优异,其中br_con（连果枝）、danger（危险区）和br_pro（优先采收区域）的平均交并比mIoU分别达到85.36%、86.37%和81.29%,平均像素精度mPA分别达到94.97%、96.17%和89.48%,Clo-UNet在整个数据集上的mIoU和mPA分别比UNet高5.14、6.85个百分点。通过观察验证集647幅图像,Clo-UNet-Point算法在不同光照条件下均能定位到采摘点,平均检测一张图像用时0.15 s。该研究可为未来非花果同期类油茶果的自动化振动采收奠定理论基础。     

Data-SSI与图论聚类结合识别果树固有频率

果树的固有频率是林果振动采收机械设计的重要依据之一。为有效识别果树的固有频率,该研究提出了基于数据驱动随机子空间Data-SSI（Data-driven Stochastic Subspace Identification）法与图论聚类稳定图相结合、仅以果树的输出响应信号对果树进行固有频率识别的方法,以尽量减少人为主观因素的影响。将该方法用于一棵室内小型银杏树和一棵室外较大银杏树固有频率的识别并与冲击力锤频谱测试结果进行对比分析。结果表明,室内小型果树在随机激励下本文方法识别结果与频谱试验结果相对误差小于4.17%;室外大型果树在环境激励下所提方法识别结果与频谱试验结果平均相对误差为2.88%,最大相对误差为6.02%。本文方法对仅基于输出响应信号的果树固有频率识别具有一定可行性,可为果树智能化共振采收时快速准确确定共振频率提供参考。     

振动收获过程中杏果实脱落的动态响应

为研究杏果实脱落不同阶段内的瞬时响应状态与运动状态,该文建立了杏果实-果枝双摆动力学模型,利用双机位高速摄像仪记录果实受迫振动并发生脱落全过程。理论分析与试验表明:杏果实-果枝双摆系统在振动过程中主要表现为果枝摆动、果枝扭转和果实倾摆3种运动状态,果实在空间运动的轨迹接近椭圆形。使用PCC 3.1高速视频控制分析软件获得杏果实在不同平面内相对静止原点的速度、脱落前瞬时速度和加速度数据。试验中不同平面内果实振动脱落速度变化分为3个阶段,通过MATLAB对不同平面内果实相对于静止原点的速度进行傅里叶拟合,得到整体及各阶段速度拟合曲线及相应函数,同时推导出具有完整周期的前2个阶段的速度函数周期与振幅间的关系。通过对比杏果实-果枝实际连接力,分析果实振动脱落特性,为优化杏振动收获机设计参数、提高果实采收率提供理论依据。